Seria¡ BUDOWNICTWO z. 47 Nr kol. 603
Jerzy SĘKOWSKI
BA DA NI A LABORATORYJNE OPOR U NA ŚCINANIE NA STYKU DWÓCH W A R S T W GRUNTU
S t r e s z c z e n i e . W pracy przedstawiono wyniki badań wytrzymałości na ścinanie na styku dwóch warstw gruntu: piasku średniego i łupka przywęglowego surowego.
1. Wstęp
W a żn ym zagadnieniem, szczególnie na terenie GOP-u, jest poznanie cech fizycznych i Teologicznych materiałów zwanych odpadami poprzemysłowymi.
Materiały te wy ko rz ys ty wa ne są między innymi do budowy obwałowań zbiorni
ków wodnych - częste ws pólnie z gruntami rodzimymi. W niekorzystnych przy
padkach występie może utrata stateczności obwałowania, niewykluczone, że również na styku budujących go warstw. Stęd konieczność prowadzenia badań pozwalających na określenie oporu na ścinanie pomiędzy tymi warstwami.
Znajomość oporu ścinania występującego w płaszczyźnie styku dwóch warstw/
gruntu, o odmiennych wł aściwościach fizycznych ma poważne znaczenie- szcze
gólnie w budownictwie i górnictwie. A u to rz y [1] , [3] przytaczaję litera
turę z zakresu będącego przedmiotem niniejszej pracy.
Ar ty ku ł niniejszy do tyczy badań oporu na śc inanie występującego pomiędzy warstwami piasku średniego i przywęglowych łupków surowych. Z uwagi na w ą ski zakres badań oraz charakter analizowanych materiałów artykuł należy traktować jako przyczynek do ogólniejszej analizy wytrzymałości na ścina
nie na styku dwóch w a rs tw gruntów o zróżnicowanych cechach fizyko-mecha
nicznych.
2. Charakterystyka materiałów użytych do badań
Badania laboratoryjne poprzedzono wstępnym rozpoznaniem niektórych w ł a ściwości fizycznych użytych materiałów. Wszystkie oznaczenia wykonano zgod
nie z obowiązującymi normami. Materiałami badanymi były: piasek średni oraz łupki przywęglowe pobrane z hałd dwóch Kopalni Węgl a Kamiennego znaj
dujących się na terenie Gó rnośląskiego Okręgu Przemysłowego. Badaniami ws tę pn ym i objęto następująca cechy fizyczne: uziarnienie, zagęszczalność oraz zależność zm ia ny wi el ko śc i kąta tarcia we wn ęt rz ne go od wilgotności
36 0. Sękowski
materiału. Na rysunkach 1, 2 przedstawiono uśrednione wykresy u z i e m i e n i a piasku średniego (oznaczonego dalej P ) oraz łupków ( Ł 1 , Ł2).
Rys. 1. Piasek średni. Skład granulometryczny
Rys. 2. Łupki przywęglowe surowe. Składy granulometryczne
Rysunki 3, 4 przedstawiają wy kr es y zagęszczalności badanych materiałów.
Badania przeprowadzono metodę Proctora przy energii zagęszczania równej 0,58 MO /m3 - (6 kGcm/cm3 ).
Rys. 3. Piasek średni. Zależność ciężaru objętościowego szkieletu grunto
wego od wilgotności
Rys. 4. -Łupki przywęglowe surowe. Zależność ciężarów objętościowych szkie
letu gruntowego od wilgotności
Badania zależności zmiany wielkości kęta tarcia wewnętrznego od w i l gotności materiału J3 » JJ(w) wykonano w aparacie skrzynkowym AB-2 o po
wierzchni przekroju skrzynki 0,12 x 0,12 m. Materiał był zagęszczany ener
gię 0,58 MO/m3 , następnie konsolidowany nie dłużej niż 10 min, po czym śc in bn y przy tzw.pierwszej prędkości wynoszęcej 0,0155 m/min. Wyniki prze
prowadzonych badań ilustruję rysunki 5, 6.
38 0. Sękowski
Rys. 5. Piassk średni. Zależność kęta tarcia wewnętrznego od wilgotności
Rys. 6. Łupki przywęglowe surowe. Zależność kętów tarcia wewnętrznego od wilgotności
Należy n a d m i e n i ć , iż badania rozpoznawcze Jak i zasadnicze z udziałem łupków obejmowały tylko ziarna i częstki o średnicy < 5,0 mm (0,005 m).
Wilgotność materiału określano bezpośrednio po zakończeniu danego badania.
3. Metodyka badań zasadniczych
Oo badań użyto aparatu bezpośredniego ścinania (typ AB-2) o powierzch
ni przekroju skrzynek Q,12vm x 0,12 m. Aparat był do tego typu badań spe
cjalnie przygotowany. Centralnie umieszczona śruba znajdujęca się pod skrzy
neczkę zawierajęcę badanę próbkę służyła do rektyfikowania płaszczyzny
ścięcia. Wy ko rz ys tu ją c równocześnie wziernik(płytka boczna skrzynki z ple- xi) można było stosunkowo dokładnie wymusić ścięcis w płaszczyźnie styku warstw. Aparat A B - 2 [2] przedstawiono na rys. 7.
Przeprowadzone badania obejmowały określenie w y trzymałości na ścinanie
(a więc parametrów: J3 kąt tarcia wewnętrznego o~
raz c - spójności gruntu) na styku sąsiednich warstw badanych materiałów.Bada
nia zasadnicze przeprowa
dzono w dwóch wersjach (układach) - A i A - odpo
wiadających zestawieniu materiałów: P - Ł 1 , P - Ł2
s s
(układ A) oraz Ł2 - P g (układ A). W badaniach A próbka piasku średniego wypełniała dolną skrzynecz
kę aparatu - natomiast gór
ną łupek. W badaniu o ze
stawieniu materiałów P g - Ł1 piasek miał w każdej serii badań tę samą wilgotność. Wilgotność próbki górnej (łupek przywęglowy surowy) była w da
nej serii każdorazowo inna. Po każdym badaniu całość materiału podlegała wymianie. Próbki przygotowywano w ten sposób, że wilgotność piasku st op
niowo zwiększano po każdej serii badań, natomiast wilgotność łupków zmie
niano zwiększając ją w danej serii dowolnie. W badaniach o zestawieniu ma
teriałów P g - Ł2 łupek dla odmiany posiadał w danej serii wilgotność s t a ł ą , a zmianie podlegała wilgotność próbki piasku średniego.
W badaniach układu A dolną skrzyneczkę aparatu bezpośredniego ścina
nia wy pe łn ia ł łupek przywęglowy. Był on "wiodącym" i w poszczególnych s e riach posiadał stałe wilgotności (podobnie jak w badaniach A dla materia
łów Pg - Ł2). System badań był podobny jak w badaniach A. Badania A i A obejmo wa ły 3 i 4 serie badań. Badane próbki były każdorazowo zagęszcza
ne energią 0,58 MO /m3 a następnie konsolidowane określonym naprężeniem 6»^
w czasie t = 10 min. ścinanie następowało z tzw. pierwszą prędkością (0,0155 m/min) przy naprężeniach pionowych ff = 0,098 M P a ; 0,147 MPa{
0,196 MPa; 0,294 MPa i ewentualnie 0,049 MPa (1,0 kG/cm2 ; 1,5 kG/cmZ j 2,0 kG/cm2 ; 3,0 kG/cm2 i 0,5 kG/cm2 . Wilgotności próbek określano każdo
razowo bezpośrednio po ścięciu.
Rys. 7. Aparat bezpośredniego ścinania AB-2.
Widok ogólny
#
[•]
42 41 40 39 38 37 36 36 34 33 32
T
[*]
36
35
34
33
32
9.
i
3. Sękowski
$-$(>v)Pa
w D “ 0,12%
1 8 10 11 12 13 w [% ]
Kęt tarcia wewnętrznego na styku badanych materiałów (p - Ł l ) Ja
ko funkcja ich wilgotności 8
10 11 12 w [ X I
<ęt tarcia wewnętrznego na styku badanych materiałów ( p ^ - Ł 2 ) ja- 4 5 fi 7 8 9
ętrznego
ko funkcje ich wilgotności
4. Wyniki badań. Analiza wyników badań
Wyniki przeprowadzonych badań ilustruję rysunki 8, 9, 10. Rysunki 8, 9 przedstawiają zmianę wielkości kęta tarcia wewnętrznego j> w zależności od wilgotności badanych materiałów. Krzywe odpowiadaję poszczególnym seriom badań A. Na rysunkach tych dodatkowo umieszczono analogiczne wykresy,lecz dla materiałów jednorodnych. Z uwagi na to, że wartości współczynnika ko
hezji były nieznaczne (c < 0,0147 MPa - 0,15 kG/cm^) jak również nie w y kazywały one żadnaj prawidłowości w ewentualnych zmianach swoich wartości, postanowiono nie uwzględniać go w dalszych rozważaniach.
W przypadku badań w wersji A stwierdzono, że płaszczyzna ścięcia prze
biegała w zasadzie na styku badanych warstw, czyli w płaszczyźnie w y m u szonej, niezależnie od wilgotności badanych gruntów. Obserwowano jednakże pewne zakłócenia w procesie ścinania.
Należy stwierdzić, iż w przeprowadzonych badaniach nie zauważono,by w y trzymałość na styku wa rstw była niższa niż dla któregoś zastos ow an yc h ma-
42 3. Sękowski
teriałów jednorodnych. Być może, że zadziałanie obciężenia dynamicznego przy jednoczesnym nasyceniu górnej wa rstwy i lokalnym osłabieniu zdolno
ści filtracyjnych na styku - prowadzić może do wytworzenia się wa rstwy po
ślizgowej i utraty równowagi granicznej przy znacznie niższych parametrach wytrzymałościowych. W badaniach stwierdzono, że wzrost wilgotności zasad
niczo wpływa na zmianę wartości parametru fi. W przypadku badań w wersji A dla zróżnicowanych wilgotności próbek (dla większej wilgotności piasku) obserwowano, że płaszczyzna ścięcia przebiegała na styku "łupek suchy" -
"łupek mo kr y” . Bezpośrednio pod próbkę piasku tworzyła się warstewka łup
ka o wilgotności wyższej niż jej dolna część. Parametry wytrzymałościowe (szczególnie j?) osiągały znacznie niższe wartości niż dla stosowanych ma
teriałów jednorodnych. Fakt ten można wytłumaczyć utworzeniem się na s t y
ku warstw "płaszczyzny poślizgowej".
W innych analizowanych przypadkach ścięcie następowało w płaszczyźnie wymuszonej (na styku badanych materiałów). Wyniki badań X przedstawio
no na rys. 10.
5. Wnioski
Z przeprowadzonych badań wynikają następujące wnioski:
1. W przy pa dk u gdy warstwa piasku średniego zalega w dolnej skrzynce apa
ratu bezpośredniego ścinania a w górnej znajduje się łupek przywęglowy wytrzymałość gruntu na styku badanych warstw jest nie mniejsza niż w obydwu badanych materiałach. W przypadku przeciwnym przy znacznych róż
nicach w wllgotnościach materiałów (ściślej gdy górna warstwa ma znac z
nie większą wilgotność) można spodziewać się ścięcia w dolnej warstwie na granicy “łupek suchy" - "łupek mokry". Przyczyną tego zjawiska jest tworzenie się płaszczyzny poślizgowej pomiędzy dwoma sąsiednimi ma te
riałami.
2. Nie obserwowano żadnych prawidłowości w zmianie wartości współczynnika kohezji. Zm ia ny te były bardzo nieznaczne.
LITERATURA
[l] Ewertowska-Madej Z . : Badania laboratoryjne oporu na ścinanie dwóch wa rstw gruntu. Ar chiwum Hydrotechniki, 1/1967.
[2j Kawalec B.: Właściwości fizyczne i mechaniczne odpadów kopalnianych jako gruntu budowlanego. Rozprawa doktorska (niepublikowana) Gliwice 1973.
[3j Szafran Z . : Op ór ścinania na styku wa rstwy gliny oraz piasku grubego.
III Sesja Naukowa Wy działu Budownictwa Lądowego Politechniki Wr oc ła w
skiej. 2-3.X . 1968.
JIAEOPATOPHHE HOCJIĘHOBAHHfl COIIPOTHBJIEHłlfl HA CJtBHr HA CTHKE flBJrX CJIOEB rpyH TA
P e a b u e
B c i a i t e H3Jio*eHH aaHHHe HCojieAOBaHHlt oonpoiHBjieHHH Ha o j Bar Ha aiŁoce flByx cjiosb rp y n ia - neoxa h oypoBHx npHyr«HOinx ojraHueB.
LABORATORY INVESTIGATION OF SHEAR RESISTANCE FORCES BETWEEN TWO S T RA TA OF GROUND
S u m m a r y
The paper comprises stud y results of the shear resistance forces bet
ween two strata of ground - middle sand and colliery shale.
\
